Ноутбуки, смартфоны, электромобили — для увеличения мобильности требуются все более мощные аккумуляторы.
Производители автомобилей, ноутбуков, смартфонов — все заняты активным поиском возможностей сохранения большего количества энергии в меньшем объеме. При этом, несмотря на различные требования, между автомобилями и ноутбуками можно провести некоторые параллели. Например, спортивный электрокар Roadster американской компании Tesla Motors приводится в действие от аккумуляторов типа «18650». Речь идет о литий-ионных элементах питания, разработанных для ноутбуков, размером 18х65мм.
Для батареи электромобиля Tesla Roadster потребовалось параллельно подключить 6831 такой элемент. Получившийся аккумулятор весит 450 кг и хранит 56 кВт·ч энергии, которой ему хватает, чтобы преодолеть расстояние до 340 км.
Энергетическая плотность: средоточие мощи
Тенденции будущего очевидны уже сегодня: аккумуляторы должны стать меньше, легче и накапливать больше энергии. Для достижения этой цели во всем мире проводятся научные исследования. Результатом стало появление ряда концепций, предусматривающих сохранение энергии, например, с помощью нанотехнологий и даже вирусов.
Отправной точкой для всех идей служат распространенные в настоящее время литий-ионные аккумуляторы.
Сегодня именно такие батареи обеспечивают наивысшую энергетическую плотность, то есть позволяют хранить больше всего энергии на единицу массы.
Для сравнения: устаревший никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd) обладает энергетической плотностью приблизительно в 40 Вт·ч/кг, тогда как в литий-ионном (Li-Ion) данный показатель может составлять от 100 до 245 Вт·ч/кг.
К тому же последний не страдает от «эффекта памяти», то есть не теряет свою емкость, если был заряжен после неполной разряженности. Но при этом ячейки литий-ионных аккумуляторов обеспечивают всего лишь около 1000 циклов зарядки/разрядки, после чего их емкость снижается на 20–50%.
Несмотря на то что постоянно разрабатываются новые концепции, все аккумуляторные технологии объединяло и будет объединять одно: в процессе зарядки в любой батарее электрическая энергия преобразуется в химическую. Во время разряжения имеет место обратная реакция: аккумулятор превращает накопленную им химическую энергию в электрическую.
Количество энергии, которое он может хранить, зависит от материала электродов и находящегося между ними электролита. В литиевых батареях электрод выполнен на основе литиевого соединения, в других — состоит, как правило, из графита с ионами лития. Электролит — это жидкость на основе литиевых солей, не содержащая воды.
Благодаря научным исследованиям энергетическая плотность литий-ионных аккумуляторов постоянно повышалась. Для этого, в частности, изменялся состав электролита. Однако нередко приходилось сталкиваться с неприятными побочными явлениями.
Ввиду того что в процессе зарядки/разрядки данная жидкость выделяет тепло, она может закипеть и стать причиной взрыва ячейки. История знает несколько примеров пожароопасных ноутбуков и склонных к детонации аккумуляторов мобильных телефонов.
Поэтому в конце 2010 года компания Toyota — пионер в области гибридных автомобилей — представила прототип нового литиевого аккумулятора на основе твердого вещества. Электроды в нем состоят из графита и оксидов лития и кобальта, а твердый электролит использует сульфиды и обладает устойчивостью к высоким температурам.
За счет этого, в отличие от литиевых аккумуляторов для автомобилей, элементы данной батареи не требуют активного охлаждения.Однако проблема лития заключается в том, что ему категорически противопоказан контакт с водой, в том числе влажным воздухом. Поэтому преимущество в энергетической плотности может быть сведено на нет необходимостью обработки последнего.
Исследователи планируют, что серийное производство подобных аккумуляторов начнется не ранее 2014–2015 годов.
Литиевая технология: не все возможности исчерпаны
Материал электродов также может быть изменен. В различных опытах вместо графита в них используют, например, кремний, что позволяет повысить аккумулирующую способность в несколько раз. Здесь фантазия не знает границ.
Так, компания IBM в сотрудничестве с Сент-Эндрюсским университетом Шотландии разработала литий-кислородный аккумулятор, энергетическая плотность которого выросла в десятки раз по сравнению с традиционными литиевыми батареями.
Этот «воздушный» аккумулятор использует привычный электрод из лития, однако в качестве второго служит пористая углеродная мембрана, которая наполняется кислородом из окружающего воздуха, вступающим в реакцию с литием.
Электроды: больше площадь реакции
Захватывающую технологию, предусматривающую использование в аккумуляторах биологических вирусов, разработала группа ученых из Мэрилендского университета.
Ее суть заключается в следующем. На электроды наносят трубчатые вирусы табачной мозаики (с некоторых пор они пользуются особой популярностью у ученых, проводящих исследования в области нанотехнологий) и покрывают их слоем металла.
В результате получается электрод с очень большой площадью поверхности, что увеличивает емкость аккумулятора в несколько раз. Вирусы служат в качестве «литейной формы» для наноструктуры и в дальнейшем не участвуют в химических процессах. Результаты впечатляют: емкость «зараженного» аккумулятора оказывается в шесть раз больше, чем у аналогичных «здоровых» моделей.
Тонкие, как бумага: печатные аккумуляторы
То, что важно для электромобилей и, несомненно, будет полезно для ноутбуков и смартфонов, — это более высокая по сравнению с современными аккумуляторами скорость зарядки. В Массачусетском технологическом институте ученые Биоунгву Кэнг и Гербранд Цедер разработали литий-железо-фосфатную батарею, которая способна заряжаться менее чем за минуту без ущерба для себя вследствие перегрева.
Опыт производства аккумуляторов на основе тех же материалов есть и у Sony. Будет ли данная технология быстрой зарядки когда-либо использоваться в ноутбуках, остается вопросом. Пока литий-железо-фосфатные аккумуляторы обеспечивают меньшую энергетическую плотность, чем литий-ионные. Однако подобные быстро заряжаемые решения используются в авиамоделях, где большая емкость не столь существенна.
Помимо увеличения плотности энергии ученые планируют внести изменения в конструкцию и технологии производства аккумуляторов. Одним из примеров являются «печатаемые батареи», разработанные в 2009 году Фраунгоферовским институтом электронных наносистем совместно с Хемницким техническим университетом.
Такие аккумуляторы весят менее грамма, а их толщина не превышает миллиметра. Толщина литий-полимерного аккумулятора, разработанного японской компанией Advanced Materials Innovation Center (AMIC), составляет всего полмиллиметра.
Размещать такие тонкие аккумуляторы планируется на тыльной стороне солнечных батарей или очень тонких дисплеев на основе электронной бумаги.
В Швеции группа исследователей проводит испытания решений на основе водорослевой целлюлозы. Благодаря структуре водорослей и специальному покрытию удалось получить аккумулятор с более совершенными характеристиками.
Его энергетическая плотность в несколько раз ниже, чем в традиционных моделях, зато на основе подобного накопителя энергии могут изготавливаться текстильные изделия или бумажные упаковки.
Подобным путем можно даже получить обои, способные накапливать энергию.
Мобильный бум: спрос растет
Прорыв в сфере мобильной электроники, скорее всего, приведет к литиевому буму, к которому уже готовятся биржи всего мира. Эксперты предупреждают о грозящем дефиците лития, который может стать причиной стремительного роста цен на него.
В любом случае разумное применение аккумуляторов подразумевает также наличие соответствующей инфраструктуры. Если удастся добиться высокой скорости зарядки, можно будет смириться с тем, что увеличить емкость аккумуляторов практически невозможно. При этом будут необходимы повсеместно доступные «заправочные» станции как для мобильных телефонов и ноутбуков, так и автомобилей.
Прогресс заряда
Аккумулятор разряжается без посторонней помощи, а вот для зарядки пока еще по-прежнему нуждается в розетке. Но в скором времени можно будет обходиться без нее.
Единый стандарт. Для начала хорошая новость: неразберихе со штекерами мобильных телефонов, смартфонов и MP3-плееров скоро будет положен конец.
На смену множеству разъемов зарядных устройств приходит micro-USB — он уже принят в Европе в качестве единого стандарта. Что касается ноутбуков, то здесь все останется по-прежнему.
Различные модели, начиная с нетбуков и заканчивая мощными лэптопами класса «замена ПК», отличаются по типу аккумуляторов и уровню энергопотребления.
Беспроводная зарядка. Вскоре мы сможем заряжать устройства без подключения кабеля. Уже существуют зубные щетки, которые не нуждаются в розетке и подзаряжаются с помощью электромагнитной индукции.
В будущем данный принцип будет применим и к смартфонам, ноутбукам и электромобилям. Сегодня такие устройства, как Powermat (www.powermat.com) или WildCharge (www.wildcharge.com), позволяют зарядить смартфон, просто поместив его на специальную поверхность.
Правда, придется приобрести особый чехол, в который поступает заряд и затем передается на аккумулятор смартфона.
На бумаге уже существуют системы, которые направляют кинетическую энергию людей, танцующих на дискотеке, на подзарядку мобильных телефонов.
Компания Brother представила элементы типоразмера AA и AAA, которые можно заряжать с помощью тряски, — данный принцип уже давно используется в инерционных карманных фонарях.
Солнечная энергия. Некоторые компании разработали ноутбуки, способные работать только от солнечной энергии, а Apple уже запатентовала технологию питания лэптопов от солнечной батареи.
Samsung представила E1107 — первый мобильный телефон, работающий на основе аналогичного элемента.
Накопители солнечной энергии можно также приобрести отдельно: внешние панели в карманном исполнении предлагает, например, компания FSP.
Альтернатива: мини-электростанции
Топливный элемент пережил свое второе рождение и становится ключевой технологией в сфере электроники. Что такого особенного в экологичной супербатарее? Как и двигателю внутреннего сгорания, топливному элементу требуется горючее, которое в результате химических реакций выделяет энергию.
Для «дозаправки», как правило, используется водород. Он вступает в реакцию с кислородом, побочным продуктом которой является безопасная для окружающей среды вода.
В свое время топливные элементы использовались даже в ходе пилотируемых космических полетов на Луну по программе NASA «Аполлон». Начинает меняться и ситуация в сфере личного автотранспорта.
Toyota уже запустила малое серийное производство автомобилей с маркировкой «FCHV» на топливных элементах. У Mercedes есть легковые автомобили B-класса, использующие аналогичную технологию под названием Fuel Cell.
В ходе кругосветного путешествия («Вокруг света за 125 дней»), начавшегося 30 января, Mercedes намерена доказать, что она пригодна для повседневного использования. Однако такие автомобили смогут достичь серийной зрелости лишь к 2015 году.
Сотовый на топливе. Звучит заманчиво: достаточно вставить в смартфон или ноутбук запасной водородный картридж — и можно продолжать работу.
Подобные устройства были анонсированы еще в 2003 году, но до сих пор их нет в продаже. Технология еще слишком сложна в применении, и одной из проблем является сильный нагрев топливного элемента в процессе работы.
В перспективе данная технология позволит в значительной степени упростить конструкцию аккумуляторов.
В отличие от нынешних моделей, они не будут нуждаться в отдельных конденсаторных блоках, которые накапливают и отдают энергию при пиковых нагрузках.
Мощная батарея в дорогу. Впервые применение топливному элементу было найдено во внешнем зарядном устройстве, которое позволяет, например, заряжать в поездках небольшие электронные гаджеты.
Для этих целей в продаже уже имеется водородное решение Horizon MiniPAK стоимостью $99 (2900 руб./790 грн.). По размерам этот элемент питания сопоставим с мобильным телефоном 80-х годов и обеспечивает мощность в 2 Вт (400 мА, 5 В).
Зарядка сменных водородных картриджей осуществляется с помощью специального устройства, расщепляющего воду на кислород и водород.
Натрий-ионный аккумулятор. Реальные перспективы супер-батареи
Один из самых перспективных кандидатов на замену литий-ионным аккумуляторам — натрий-ионный. Вопрос перехода на новые типы аккумуляторов назрел давно. Для прогресса в различных областях, особенно в автомобилестроении, нужны дешевые и емкие аккумуляторы, а литий дорожает год от года, к тому же он химически очень активен и пожароопасен.
Результаты исследований показывают, что натриевые аккумуляторы могут заменить литий-ионные, используемые сегодня в электронных устройствах и некоторых типах электромобилей.
При этом электроды должны быть сделаны из железа, а не из никеля или кобальта.
Такие материалы, как натрий и железо широко распространены в природе, и их использование приведет к снижению стоимости, при этом плотность энергии останется такой же, как и у литиевых аккумуляторов.
В ноябре 2017 года французская компания Electrochemical Energy Storage (RS2E) анонсировала новую улучшенную батарею формата 18650, имеющую напряжение 3,5 В, ёмкость 90 Вт*ч/кг, количество циклов заряд-разряд более 2000 без существенной потери ёмкости, что соответствует примерно 10 годам эксплуатации.
В 2019 году гигантская Na-ионная батарея мощностью 100 кВт-ч была открыта для испытаний китайскими учеными в Исследовательском центре физики дельты реки Янцзы. Гигантская батарея состоит из более чем 600 соединенных Na-ионных аккумуляторных элементов и обеспечивает питание здания, в котором расположен центр.
Камень преткновения
Пределом мечтаний сейчас стала мысль поменять литий на натрий, в техническом процессе производства аккумулятора. Увы, но все как оказывается, упирается в размеры атомов элементов.
Атом натрия не встроится туда куда атом лития легко становится, атом лития намного меньше атома натрия.Электрод просто не сможет накапливать ионы натрия.
Литиевый аккумулятор состоит из двух электродов, один на основе углерода (графит), а другой из оксида кобальта (в идеале, но может быть и иной оксид).
Ионы лития несут заряд от одного электрода к другому. Когда идет зарядка аккумулятора, ионы лития высвобождаются из электрода на основе оксида металла и направляются в сторону электрода на основе углерода. Пока идет заряд, между слоями углерода накапливаются ионы лития.
При разряде литий-ионного аккумулятора, все происходит с точностью наоборот. Не трудно понять, что размер и встраиваемость ионов это и есть камень преткновения в разработке.
Чем проще ион достигает своей цели, тем большую мощность может развить батарея, если же процесс встаривания вялотекущий, то получить ток на нагрузке нужного уровня будет крайне сложно.
Na-ion аккумулятор все еще находится в стадии разработки, и исследователи работают над увеличением его срока службы, сокращением времени зарядки и производством аккумуляторов, способных выдавать большую мощность.
В настоящее время ученые сосредоточились на совершенствовании конструкций натрий-ионных аккумуляторов, прежде всего на подборе оптимальной конструкции электрода и поиске экологически чистых материалов.
После завершения этой работы, можно будет говорить о начале коммерциализации новой технологии.
Мечта про идеальную чудо-батарею
Абсолютной чудо-батареи пока не существует, и она остается «слабым звеном» в обозримом будущем. Поскольку батарея основана на электрохимическом процессе, необходимо учитывать ограничения плотности мощности и короткого срока службы.
Мы должны приспособиться к этому ограничению и спроектировать изделие, соответствующее заданным параметрам. Люди хотят получить неисчерпаемый запас энергии в небольшой упаковке, которая будет дешевой, безопасной и чистой.
Необходим радикальный поворот, чтобы удовлетворить неутолимую жажду портативных и мобильных устройств.
За последние полтора столетия аккумулятор улучшился умеренно по сравнению с другими достижениями прогресса. Аккумулятор по прежнему хранит относительно мало энергии, громоздок, тяжел и имеет короткий срок службы. Наблюдается тенденция, что чем меньше батарея, тем больше возрастает цена за ватт.
Скорость, с которой мобильность совершенствуется, во многом зависит от батареи. Этот источник энергии настолько важен, что инженеры проектируют портативные устройства вокруг батареи, а не наоборот.
С каждым постепенным улучшением батареи открываются перспективы для создания новых конструкций и расширения их применения.
Исследования новых типов аккумуляторов идут уверенными темпами. Среднегодовой прирост мощности обычно составляет около 6%. Для сравнения, микроэлектроника добилась гораздо лучших результатов.
Гордон Мур сделал свое знаменитое наблюдение в 1965 году, когда он предсказал, что рост числа транзисторов на интегральную схему будет удваиваться каждые два года. Благодаря неустанным технологическим достижениям Intel, закон Мура был сохранен и претворяется в жизнь и в 21 веке.
Такие успехи, если бы это было возможно для аккумуляторов, уменьшили бы сверхмощный автомобильный аккумулятор до размера монеты.
Проблема состоит в размере ионов натрия, которые на 25% больше, чем у лития. Из-за этого ионы медленно перемещаются и с трудом встраиваются в кристаллическую структуру электродов. До сих пор эта проблема казалась нерешаемой, ведь уменьшить размеры ионов натрия нельзя, но ученые нашли способ обойти данный барьер.
Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы лидируют…
Литий-ионные аккумуляторы отличаются от прочих многими желательными характеристиками, такими как высокая эффективность, длительный срок службы, высокая плотность энергии и высокая удельная мощность.
Плотность энергии Li-ion, по крайней мере, в два раза выше, чем у NiCad, и его номинальный ток нагрузки достаточно высок. На самом деле Li-ion ведет себя подобно NiCad с точки зрения характеристик разряда.
Li-ion также имеет относительно низкий уровень саморазряда.
Характеристики Li-ion, наряду с их способностью к быстрому разряду, сделали их почти идеальными для применения в мобильной электронике.
Альтернатива литию и надежды на «соседа»
Потребление лития с каждым годом растет, появляется все больше разных устройств на батарейках, гаджеты, телефоны, смартфоны. Большинство из них — это аккумуляторы созданные на основе литий-ионных структур.
К сожалению, литий является ограниченным ресурсом и ему будет сложно удовлетворить растущий мировой спрос на относительно дешевые батареи. Поэтому исследователи сейчас ищут альтернативы литий-ионному аккумулятору.
И хотя лития в природе еще достаточно много, на наш век хватит, о будущем нужно думать уже сегодня и придумывать такое, чтобы действенно заменяло литий в аккумуляторах. Возможно, на очередном этапе будет создан аккумулятор с лучшими показателями и гораздо дешевле.
Многообещающей альтернативой является замена лития металлическим натрием, чтобы сделать Na-ионные батареи. Натрий в больших количествах содержится в морской воде и может быть легко извлечен из нее.
Специалисты обратили внимание на «соседа» по таблице Менделеева, на щелочной метал натрий, который можно и найти практически всюду, да и по цене он гораздо дешевле лития.
Таким образом, можно создать аккумулятор, в котором уже ионы натрия (Na+) встраиваются в слои материала. В качестве матрицы использовали материал на основе молекул 4,4’-стильбендикарбоксалата.
Опытный электрод из такого материала имеет достаточную емкость и позволяет добиваться хороших показателей в мощности.
Натриевые перспективы
Натрий-ионный аккумулятор (Na-ion) — это тип электрического аккумулятора, который имеет практически идентичные литий-ионному аккумулятору энергетические характеристики, но стоимость применяемых в нём материалов значительно ниже (натрий примерно в 100 раз дешевле лития). Поэтому в ближайшие годы ожидается широкое распространение таких аккумуляторов взамен литиевых, в том числе в электромобилях. Большим преимуществом натрий-ионных батарей является безвредность разряда до нуля, что делает более безопасной их перевозку и хранение.
Решение проблемы замены лития на натрий в акумуляторах заключается в увеличение расстояния между отдельными слоями атомов углерода, образующих кристаллическую структуру графита.
Аккумуляторы Na-ion работают по тому же принципу, что и Li-ion: натрий так же хорошо теряет электроны и отлично подходит для создания анода. Однако у батарей Na-ion есть серьезный недостаток — очень долгое время заряда и разряда, то есть такие батареи принимают и отдают слишком слабый ток, мощности которого не хватает, например, для вращения автомобильного электродвигателя.
Проблема состоит в размере ионов натрия, которые на 25% больше, чем у лития. Из-за этого ионы медленно перемещаются и с трудом встраиваются в кристаллическую структуру электродов. До сих пор эта проблема казалась нерешаемой, ведь уменьшить размеры ионов натрия нельзя, но ученые нашли способ обойти данный барьер.
Отличающая химическая активность и более крупные размеры атомов натрия потребуют изменения конструкции батареи. Чтобы соответствовать по плотности энергии литий-ионным аккумуляторам, анод натриевого аккумулятора должен удерживать большее количество ионов.
Группа исследователей Токийского университета науки под руководством Шиничи Комаба (Shinichi Komaba) создала специальный материал, смешав оксид железа, оксид натрия и оксид марганца.
Затем полученный порошок был помещен в капсулу и нагревался на протяжении 12 часов при температуре 900 °С.
Формула нового материала, который был использован для создания анода аккумулятора, имеет вид Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2, при этом катод был изготовлен из натрия.
Емкость полученного аккумулятора составила 190 мА•ч на один грамм при среднем напряжении 2,75 В. Если катод выполнить из углерода или диоксида титана, напряжение можно увеличить до 3 В. Это примерно соответствует напряжению, которое можно получить от двух батареек типа АА.
Вариант аккумулятора, в котором ионы натрия (Na+) встраиваются в слои материала электрода.
Новый аккумулятор имеет электроды, собранные из множества слоев, причем между слоями большой зазор, по которому, как по автобану, быстро передвигаются крупные ионы натрия. Это позволяет быстро вводить электроны в решетку электродов (т.е.
быстро заряжать аккумулятор), а также быстро извлекать их оттуда (разряжать). Производительность нового аккумулятора высока: плотность тока в 1000 раз выше (10 А/г против 10 мА/г), чем у большинства других натрий-ионных аккумуляторов.
Такой аккумулятор имеет большую емкость при максимальных токах: (72 мА·ч/г). При промежуточных значениях плотности тока (1 А/г), новый аккумулятор показывает впечатляющую емкость до 160 мА·ч/г, что сравнимо с лучшими литий-ионными аккумуляторами.
Долговечность Na-ion тоже на высоте: высокое количество циклов заряд/разряд при сохранении 70% емкости.
Проще говоря, для электромобиля с запасом хода в 200 км на одной заправке срок службы батареи составит 5-10 лет без заметного ухудшения характеристик.
Еще одним преимуществом является то, что Na-ионные батареи не нуждаются в кобальте, который все еще необходим в литий-ионных батареях.
Большая часть кобальта, используемого сегодня для производства литий-ионных батарей, добывается в Демократической Республике Конго, где восстания, неорганизованная добыча полезных ископаемых и детский труд создают неопределенность и моральные сомнения в отношении торговли кобальтом.
С положительной стороны также учитывается, что Na-ионные аккумуляторы могут производиться на тех же заводах, которые сегодня производят литий-ионные аккумуляторы.
Дисульфид молибдена ведёт себя в натрий-ионных аккумуляторах: многослойная и пористая структура обеспечивает эффективные диффузные каналы для ионов натрия во время быстрого накопления и отдачи заряда ячейками.
Кроме того, отпадает необходимость в использовании полимерного связующего вещества и медной фольги, которые являются частью традиционных электродов.
При этом электроды нового типа дают стабильную зарядную ёмкость в 230 мА•ч/г.
Одна из проблем заключается в том, что может быть сложно изготовить небольшие Na-ионные батареи. Но большие батареи также имеют ценность — например, когда речь идет о хранении ветровой или солнечной энергии.
Na-ионным – «зеленую» дорогу
В условиях быстрого роста спроса на электроэнергию, вырабатываемую из возобновляемых источников, интерес к Na-ионным батареям вырос из-за их низкой стоимости и необходимости увеличивать разнообразие технологий хранения аккумуляторов в целях обеспечения энергетической безопасности. Для небольших масштабов (
Электрические батареи будущего
Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям Опубликовано 07.04.
2016 05:00
Abramova Olesya
Экспериментальные модели батарей в большинстве своем находятся за закрытыми дверьми лабораторий и исследовательских центров, и декларируют свои многообещающие характеристики посредством пресс-релизов, не последней целью которых является привлечение инвестиций.
Некоторые проекты показывают просто нереальные результаты, а дата предполагаемого реального представления публике все время переносится. Значительная часть прототипов так и остается неоцененной конечными потребителями из-за так и не завершившейся лабораторной части разработки.
Но подобная риторика разработчиков не в последнюю очередь вызвана инвестиционной спецификой.
Современные представители венчурных фондов жаждут быстрейшего приумножения капитала, поэтому десятилетний период разработки нового электрохимического источника питания им не слишком выгоден.
К сожалению, поиск и привлечение капитала становятся значительным препятствием для новых перспективных разработок. (Смотрите: Знакомство с электрической батареей).
Большинство экспериментальных электрических батарей на основе лития имеют одну общую черту — они используют анод из металлического лития для достижения более высокой удельной энергоемкости, чем это возможно, используя оксидный катод широко распространенной сегодня литий-ионной батареи.
Кампания Moli Energy впервые начала массовое производство литий-металлического аккумулятора в 1980-е, но его использование представляло собой угрозу из-за дендритов, которые могли вызвать короткое замыкание или даже взрыв батареи. В связи с этими недостатками, компании пришлось отзывать все свои литий-металлические аккумуляторы.
В 1989 году компании NEC и Tadiran пытались улучшить эту технологию, что вышло у них с ограниченным успехом. Очень мало компаний сейчас выпускают литий-металлические аккумуляторы, большинство ограничиваются неперезаряжаемой версией. Исследования в этой сфере продолжаются, и вполне возможно, что безопасная и надежная конструкция аккумулятора с твердотельным литием не за горами.
Ниже в тексте будут описаны новейшие разработки.
Была также разработана новая структура анода для литий-ионных аккумуляторов, основанная на кремний-углеродных наноструктурах.
Кремниевый анод теоретически может хранить в 10 раз больше энергии, чем графитовый, но его расширение и сжатие во время заряда и разряда делает всю конструкцию аккумулятора неустойчивой.
Но если использовать и кремний и графит для анода, это позволит в пять раз превысить показатель емкости стандартного графитового электрода, однако такой союз негативно скажется на времени жизни анода.
Гармоничное совмещение хороших показателей всех основных характеристик электрической батареи является непростой задачей для разработчиков. Ниже перечислены наиболее перспективные экспериментальные батареи.
1. Литий-воздушный аккумулятор
Литий-воздушная электрохимическая система открывает новые захватывающие грани, так как она позволяет хранить гораздо большее количество энергии, чем это позволяют нынешние литий-ионные технологии.
Исследователи заимствовали идею использования кислорода из атмосферы, которая реализована в воздушно-цинковом и топливном элементе.
Каталитический воздух, поставляющий кислород, выполняет в литий-воздушном аккумуляторе роль катода.
Теоретическая удельная энергоемкость литий-воздушного аккумулятора составляет 13кВт*ч/кг. Существуют и алюминий-воздушные прототипы с удельной энергоемкостью, немногим меньшей 8 кВт*ч/кг.
Если удастся создать рабочую модель металл-воздушного аккумулятора с таким показателем энергоемкости, то по этому параметру он будет сравним с бензиновым двигателем с показателем в 13 кВт*ч/кг.
Даже если этот прототип покажет четверть от теоретической плотности энергии, подключенный к нему электродвигатель с КПД более чем 90% компенсирует это отставание, так как КПД бензинового двигателя внутреннего сгорания составляет всего лишь 25-30%.
Литий-воздушная технология была впервые предложена в 1970-х годах, и получила повторный всплеск интереса в 2000-х, когда достижения науки сделали возможным разработку аккумулятора этой электрохимической системы для нужд электротранспорта.
В зависимости от используемых материалов, ячейка такого аккумулятора способна обеспечить от 1,70 до 3,20 В.
Стабильную рабочую версию аккумулятора пытаются разработать IBM, Массачусетский Технологический Университет, Калифорнийский Университет и другие научно-исследовательские центры.
Аккумуляторы EverExceed
| OPzS | NI-CD | OPzV |
 |
 |
 |
| 20 лет / 1500 циклов | 25 лет / 2000 циклов | 20 лет / 1500 циклов |
| для промышленного и частного применения: телекоммуникации, аварийное освещение, солнечные электростанции, системы безопасности, (UPS) источники бесперебойного питания и т.д. |
Как и в других воздухсодержащих батареях, удельная мощность литий-воздушного аккумулятора снижается при низких температурах.
Чистота воздуха также является важной, и в случае использования аккумулятора при недостаточно чистом воздухе ему нужна система фильтрации.
Это система, состоящая из компрессоров, насосов и фильтров, делает аккумулятор похожим на топливный элемент и потребляет до 30% вырабатываемой мощности.
Еще одной проблемой является синдром “внезапной смерти” аккумулятора. Литий и кислород образуют пленку пероксида лития, которая выступает барьером и препятствует движению электронов, что приводит к резкому уменьшению емкости аккумулятора.
В связи с этим, ученые экспериментируют с примесями, предотвращающими образование пленки. Также проводятся мероприятия по увеличению количества циклов заряда/разряда, так как нынешние 50 циклов являются неудовлетворительным показателем.
2. Литий-металлический аккумулятор
Несмотря на несколько неудачных попыток коммерциализировать перезаряжаемые литий-металлические батареи, исследования и ограниченное производство этой электрохимической системы продолжается.
В 2010 году в электромобиль Audi F2 был установлен экспериментальный литий-металлический аккумулятор с удельной энергоемкостью 300 Вт*ч/кг.
DBM Energy, производитель этого аккумулятора, утверждает, что он будет иметь 2500 циклов заряда/разряда, короткое время зарядки и конкурентную цену при условии массового производства.
Audi A2 с этим аккумулятором смог проехать расстояние от Мюнхена до Берлина (450 км) на одной зарядке. По некоторым слухам, во время лабораторных испытаний были случаи воспламенения этого аккумулятора, и хотя он прошел официальные тесты, долгосрочная безопасность остается проблемой из-за образования металлических нитей, которые могут приводить к короткому замыканию.
Показатель удельной энергоемкости литий-воздушного аккумулятора в 300 Вт*ч/кг является одним из самых высоких для систем на основе лития.
NCA (литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный) аккумулятор в электромобиле Tesla S 85 имеет удельную энергоемкость 250 Вт*ч/кг, LMO (литий-марганцево-оксидный) в BMW i3 достигает 120 Вт*ч/кг, а аналогичная электрохимическая система в Nissan Leaf — 80 Вт*ч/кг.
3. Твердотельный литиевый аккумулятор
Стандартный литий-ионный аккумулятор использует графитовый анод, что приводит к некоторому снижению удельной энергоемкости. Твердотельная технология подразумевает замену графита чистым литием, а пористого полимерного сепаратора с впитанным электролитом — керамическим сепаратором.
Это конструкция напоминает литий-полимерный аккумулятор из 1970-х, развитие которого было ограниченным из-за его низкой производительности и соображений безопасности. (Смотрите: Литий-полимерный аккумулятор: перспективная электрохимия или переоцененный источник питания?).
Твердотельный литиевый аккумулятор довольно схож с литий-металлическим, но в нем разработчики попытались решить проблему образования металлических нитей с помощью сухого полимера и керамического сепаратора.
Также к недостаткам, которые исследователи надеются исправить, относятся недостаточная проводимость при низких температурах и ограниченное количество циклов.
На данном этапе разработки твердотельные литиевые аккумуляторы имеют около 100 циклов заряда/разряда.
Ожидается, что твердотельные литиевые аккумуляторы смогут вмещать в два раза больше энергии по сравнению с литий-ионными, но нагрузочные характеристики будут меньше, что не позволит использовать их для электрических силовых агрегатов и устройств, требующих высоких показателей силы тока.
Целевым применением могут стать накопительные системы хранения энергии для возобновляемых источников, а также роль вспомогательных аккумуляторов в электротранспорте.
По прогнозу научно-исследовательских центров, в частности, компании Bosch, эта электрохимическая система станет коммерчески доступной в 2020 году, а ее использование в электротранспорте ожидается к 2025 году.
4. Литий-серный аккумулятор (Li-S)
В силу низкого атомного веса лития и умеренной массы серы, литий-серная электрохимическая система может обеспечить очень высокую удельную энергоемкость 550 Вт*ч/кг, что примерно в три раза больше, чем у литий-ионной системы. Li-S также имеет отличный показатель удельной мощности в 2500 Вт/кг.
Напряжение ячейки такого аккумулятора составляет 2,10 В. Сам аккумулятор имеет отличные низкотемпературные характеристики, к примеру, он может быть заряжен при -60°С. Литий-серная электрохимическая система является экологически чистой, а ее основной ингредиент, сера, имеется в изобилии.
Ожидаемая стоимость литий-серного аккумулятора составляет $ 250 за кВт*ч.
Стандартный литий-ионный аккумулятор имеет графитовый анод, который содержит ионы лития. В литий-серном графит заменяется на металлический литий, который выполняет двойную работу в качестве электрода и поставщика ионов.
Также литий-серный аккумулятор избавлен от “мертвого груза” в виде оксидов металлов, которые заменены на более дешевую и легкую серу.
Сера имеет дополнительное преимущество в виде возможности захвата двух атомов лития, что недоступно в литий-ионном аккумуляторе.
Проблемой литий-серных аккумуляторов является ограниченное количество циклов заряда/разряда — около 40-50.
Другие недостатки – это плохая проводимость, деградация серного катода и плохая стабильность при высоких температурах.
Но с 2007 года исследователями проводятся эксперименты с нанопроводами и графеном, использование которых в литий-серной электрохимической системе показывает многообещающие результаты.
5. Натрий-ионный аккумулятор (Na-ion)
Натрий-ионная электрохимическая система представляет собой крайне интересную альтернативу литий-ионной, так как натрий является недорогим и легкодоступным материалом.
Проиграв конкуренцию в конце 1980-х литий-ионной системе, натрий-ионная обладает одним интересным преимуществом — она может быть полностью разряжена без деградационных последствий, что присуще другим электрохимическим системам.
Также использование и транспортировка Na-ion не регламентируется специальными правилами ввиду ее безопасности. Напряжение ячейки натрий-ионного аккумулятора составляет 3,60 В, а удельная энергоемкость — 90 Вт*ч/кг.
По стоимости киловатт-часа такой аккумулятор сопоставим со свинцово-кислотным. Дальнейшее развитие этой технологии предполагает решение проблемы небольшого количества циклов заряда/разряда и объемного расширения аккумулятора в заряженном состоянии.
Последнее обновление 2016-02-21
Графеновый аккумулятор. Прорыв в создании устройств хранения энергии
В настоящее время потенциальных покупателей электромобилей зачастую пугает перспектива довольно небольшого пробега автомобиля от одной подзарядки и слишком долгий процесс заряда аккумуляторов.
В самое ближайшее будущее все может очень сильно измениться и нас ждут весьма интересные девайсы способные заряжаться за несколько минут, а также графеновые электронные компоненты и другие наноматериалы.
Графеновые аккумуляторы окажут громадное влияние на все сферы повседневной жизни. Для примера, удельная емкость литий-ионного аккумулятора применяемого в настоящее время, составляет 200 Вт/ч на 1 кг веса. Графеновый аккумулятор такого же веса имеет удельную емкость 1000 Вт/ч.
Очевидно, что графеновая аккумуляторная батарея установленная, например, в Tesla Model S способна увеличить пробег электромобиля с 334 км до 1013 км на одной подзарядке. Кроме всего прочего такие батареи можно зарядить менее чем за 10 минут.
Конечно, чтобы достичь такой скорости заряда необходима мощная зарядная станция, но это уже не такая большая проблема.
Еще в декабре 2018 года индийская компания Log 9 Materials объявила, что работает над металлическими воздушно-воздушными батареями на основе графена, что в теории может даже привести к появлению электрических транспортных средств, работающих на воде.
Металлические воздушные батареи используют металл в качестве анода, воздух (кислород) в качестве катода и воду в качестве электролита. В воздушном катоде батарей используется стержень графена. Поскольку кислород должен использоваться в качестве катода, катодный материал должен быть пористым, чтобы воздух мог проходить, свойство, в котором графен превосходит другие.
Согласно Log 9 Materials, графен, используемый в электроде, способен увеличить эффективность батареи в пять раз при стоимости в одну треть.
Новые разработки графеновых аккумуляторов
Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков. Они считают, что будущее за графеновыми аккумуляторами.
Сравнительно недавно Graphenano, компания из Испании, продемонстрировала прототип графен-полимерного аккумулятора обладающего уникальной способностью – требуемое время его заряда в 3 раза меньше, чем для обыденных литий-ионных аккумуляторов.
Конечно же успехи этой компании подхлестнули громадный интерес различных производителей, которые стали тотчас предвкушать все выгоды применения таких аккумуляторов.
В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг.
Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей.
Графеновые батареи менее громоздкие, чем их литий-ионные аналоги: масса графенового аккумулятора вдвое меньше массы литий-ионного. И что не маловажно, такие батареи не могут взорваться.
В конце 2015 года Graphenano открыли завод площадью более 7000 квадратных метров по производству графен-полимерных аккумуляторов в испанском городе Екла, благодаря объединению усилий с группой химиков из Национального университета Кордовы и компанией Grabat Energy.
Было создано специальное оборудование для обеспечения 20 сборочных линий на 80 миллионов ячеек. Эти аккумуляторы не будут производить газ и не будут пожароопасными, заявляют в Graphenano, даже короткое замыкание им не будет страшно. Полимер был сертифицирован при сотрудничестве с институтами Декра (Испания) и TUV (Германия).
Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенный в гексагональной решетке (в виде шестиугольников). Это строительный блок углерода, но графен сам по себе является замечательным веществом, обладающим множеством удивительных свойств, которые постоянно дают ему название «чудо-материал».
Как улучшить характеристики существующих аккумуляторов
В области аккумуляторов обычные материалы для аккумуляторных электродов (и перспективные) значительно улучшаются при добавлении графена. Графеновая батарея может быть легкой, долговечной и подходящей для накопления энергии большой емкости, а также для сокращения времени зарядки.
Это продлит срок службы батареи, что связано с количеством углерода, который нанесен на материал или добавлен к электродам для достижения проводимости, а графен добавляет проводимости, не требуя количества углерода, которое используется в обычных батареях. Графен может улучшить такие свойства батареи, как плотность энергии и форму, различными способами.
Так литий-ионные аккумуляторы (и другие типы аккумуляторных батарей) могут быть улучшены путем введения графена в анод аккумулятора и использования проводимости материала и характеристик большой площади поверхности для достижения морфологической оптимизации и производительности.
Также было обнаружено, что создание гибридных материалов также может быть полезным для улучшения качества батареи. Например, гибрид катализа оксида ванадия (VO2) и графена может быть использован на литий-ионных катодах и обеспечивает быструю зарядку и разрядку, а также большую стойкость цикла зарядки.
В этом случае VO2 обладает высокой энергоемкостью, но плохой электрической проводимостью, что можно решить, используя графен в качестве своего рода структурной «основы», на которой можно присоединить VO2- создавая гибридный материал, который обладает как повышенной емкостью, так и превосходной проводимостью.
Исследователи ищут новые типы активного электродного материала, чтобы вывести батареи на новый уровень высокой производительности и долговечности и сделать их более подходящими для больших устройств. Наноструктурированные материалы ионно-литиевых батарей могут обеспечить хорошее решение.
По последним данным исследователи из Венского университета и международные ученые разработали новый наноструктурированный анодный материал для ионно-литиевых батарей, который увеличивает емкость и срок службы батарей.
2D/3D нанокомпозит на основе смешанного оксида металла и графена, разработанный двумя учеными и их командами, как утверждается, серьезно улучшает электрохимические характеристики литий-ионных аккумуляторов.
Основанный на смешанном мезопористом оксиде металла в сочетании с графеном, этот материал может обеспечить новый подход к более эффективному использованию батарей в больших устройствах, таких как электрические или гибридные транспортные средства. Новый электродный материал обеспечил значительно улучшенную удельную емкость с беспрецедентной обратимой циклической стабильностью в течение 3000 обратимых циклов зарядки и разрядки даже при очень высоких режимах тока до 1280 миллиампер. Для сравнения, современные литий-ионные аккумуляторы теряют свою эффективность после примерно 1000 циклов зарядки.
Финансовые проблемы реализации научных достижений
Проблема создания новых аккумуляторных батарей еще и в том, что сейчас исследованиями в области элементов питания занимается слишком много компаний. Проектов просто огромное количество — от «пенных» и жидких батарей до аккумуляторов с экзотическими соединениями в составе электролита. И явного лидера среди всех этих компаний нет.
Особого энтузиазма такая ситуация не вызывает и среди инвесторов, которые не слишком охотно выделяют деньги на новые проекты. А денег требуется много. «Для того, чтобы создать небольшую промышленную линию по производству аккумуляторов, создаваемых по новым технологиям, требуется около $500 млн.
И даже, если бы перспективный аккумулятор был создан, перевести научную работу в сферу коммерции не так просто. Разработчики мобильных устройств или производители электромобилей будут тестировать новые батареи годами, прежде, чем принять решение. Инвестиции за это время не окупятся, а компания-разработчик будет убыточной.
Ученые утверждают, что наладить промышленную линию стоимостью в $500 млн. сложно, особенно, если бюджет на год составляет $5 млн. И даже в том случае, когда новая технология попадет на рынок, производителю аккумуляторов нового типа придется пережить нелегкий период адаптации и поиска покупателей.
Но пока что до этого этапа никто не доходил. Так, компании Leyden Energy и A123 Systems, разработавшие новые, вполне перспективные технологии, так и не вышли на рынок. Им просто не хватило для этого денег. Еще два перспективных «энергетических» стартапа, Seeo и Sakti3, были куплены другими компаниями.
Причем суммы этих двух сделок были гораздо ниже того, на что рассчитывали первые инвесторы компаний. Крупнейшие производители электроники, Samsung, LG и Panasonic, заинтересованы больше в совершенствовании текущих своих продуктов и увеличении числа их функций, чем в получении батарей нового типа.
Поэтому пока что продолжается процесс оптимизации Li-Ion батарей, созданных еще в 70-х годах прошлого века. Остается надеяться, что у графеновых аккумуляторов все же получится разорвать порочный круг.
Что дальше?
Сегодня на исследования графена выделено несколько миллиардов долларов, и по прогнозам ученых, этот материал сможет заменить собою кремний в полупроводниковой промышленности.
Графен несомненно перевернет мир технологий, в том числе и созданием новых аккумуляторных батарей в ближайшие годы, не в последнюю очередь еще и потому, что он недорог в производстве, и очень распространен в природе. Каждая из стран имеет его в изобилии.
Аккумуляторы на основе графена быстро становятся сопоставимыми по эффективности с традиционными твердотельными аккумуляторами. Они все время продвигаются, и скоро они превзойдут своих твердотельных предшественников. Дополнительные преимущества, связанные с присутствием графена в электродах, могут быть полезны, даже если эффективность не так высока.
Для батарей, которые обладают аналогичной эффективностью, графеновые батареи являются идеальным выбором, они начали набирать обороты на коммерческом рынке. Ожидается, что мировой рынок графеновых аккумуляторов к 2022 году достигнет 115 миллионов долларов, увеличившись в среднем на 38,4% в течение прогнозируемого периода с рынком с доходом около 38% ».
Удивительные свойства графена
Графен является самым тонким материалом, известным человеку, толщиной в один атом, а также невероятно прочным — примерно в 200 раз прочнее стали. Кроме того, графен является отличным проводником тепла и электричества и обладает интересными способностями поглощения света.
В целом графен характеризуется как материал с наивысшей подвижностью электронов среди всех известных материалов. Графеновый слой можно представить, как одну молекулу в которой электроны без преград передвигаются между ее границами – таким образом графеновый проводник способен проводить электричество практически без потерь.
Графен – легкий, он весит всего 0,77 миллиграмма на квадратный метр. Поскольку это один 2D-лист, он имеет самую высокую площадь поверхности из всех материалов. Листы графена являются гибкими, и фактически графен является наиболее растяжимым кристаллом — вы можете растянуть его до 20% от его первоначального размера, не разбивая его.
Наконец, идеальный графен также очень непроницаем, и даже атомы гелия не могут пройти через него. Он также считается экологически чистым и устойчивым, с неограниченными возможностями для многочисленных применений. Это действительно материал, который может изменить мир с неограниченным потенциалом для интеграции практически в любую отрасль.
Когда листы графена предоставлены сами себе, они будут складываться и образовывать графит, который является наиболее стабильной трехмерной формой углерода при нормальных условиях.
Источник контента: Наука и Техника